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【长江电力公用|干货分享】太阳能热发电:从当下看未来

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导读

太阳能热发电是支撑我国国民经济可持续发展的前瞻性、战略性的新能源产业。我国《可再生能源“十三五”规划》和《电力发展“十三五”规划》均要求积极支持太阳能热发电,并提出到2020年太阳能热发电装机规模达到500×104kW,年产能量为200×108kW·h。2016年,我国确定首批总装机容量134.9×104kW的太阳能热发电示范工程项目。然而,我国太阳能热发电现状如何?存在哪些主要问题?进展和发展趋势又如何?本文欲对此进行讨论,为首批太阳能热发电示范项目建设及相关人员提供借鉴。

1. 太阳能热发电基本状况

太阳能热发电技术类型较多,本文重点讨论聚光型太阳能热发电(CSP)。该发电系统是通过大量反射镜,以聚光的方式将太阳能直射光聚集起来,加热工质,产生蒸汽来驱动汽轮发电机组发电。按照太阳能采集方式,CSP系统又划分为四种:槽式(SPT)、塔式(SCR)、碟式(SDE)和线性菲涅尔式(LFR)。


CSP系统主要由聚光集热子系统、换热子系统、蓄热子系统、热动力发电子系统组成。聚光集热子系统实现太阳光的捕获、聚集、接收和转换,为整个CSP系统提供能量输入,是整个系统中的核心,其中吸热器不仅是聚光集热子系统而且也是CSP系统的重要设备。


1.1 四种太阳能热发电技术特点


四种太阳能热发电技术各有优劣,其特点分析见表1。可以看出,四种类型的太阳能热发电站规模都较小,且在我国均处于实验示范阶段,技术都不成熟,提升空间很大,各地区可以根据自身情况适当发展。


表1 四种太阳能热发电技术特点分析比较


1.2 国内外基本现状

1878年,巴黎建立了一个小的太阳能动力站装置,该装置是通过抛物面反射镜将阳光聚焦到置于其焦点处的蒸汽锅炉,由此产生的蒸汽驱动一个很小的蒸汽机运行。1950年,前苏联设计了世界上第一座小型实验装置的太阳能塔式电站。


我国太阳能热发电技术研究始于上世纪70年代,1978年中科院电工所成立了太阳能热发电测控实验室。上世纪90年代以来,我国在塔式太阳能热发电方面进行了探索,2005年我国首座70kW塔式太阳能热力发电站建成,2012年底我国首座兆瓦级塔式太阳能热发电站“延庆八达岭太阳能热发电实验电站”竣工,该项目装机1.5MW。


在产业化及关键设备开发方面,一批企业投入到定日镜、槽式真空管、斯特林机等产品、装备的研发与建设中。目前国内反射镜生产企业超过7家,槽式真空管生产企业超过14家,完成移动式槽式集热器性能检测平台的研制,提升了我国太阳能热发电设备的检测能力。


虽然近几年我国太阳能热发电产业发展较快,但总的来看,仍处于技术研发与集成示范的产业化初期阶段。


2. 太阳能热发电主要问题与对策


2.1 发电成本高


目前太阳能热发电的最大障碍就是发电成本高。国际能源署(IEA)对可再生能源发电成本的计算公式为:

LEC=(crf·Kinvest+KOM+Kfuel)/Enet   (1)

crf=kd(1+kd)n/[(1+kd)n-1]+kinsurance

式中:LEC为可再生能源发电成本;Kinvest为电站的总投资费用;KOM为年运行维护费用;Kfuel为燃料费用;Enet为年净发电量(由年发电量扣除厂用电量求得);kd为实际贷款利率;n为电站寿命;kinsurance为年保险费用。


从式(1)可以看出,太阳能热发电成本(LEC)与太阳能热电站总投资费用(Kinvest)、年运行维护费用(KOM)、年净发电量(Enet)等有关,同时还与贷款利率(kd)、电站寿命(n)、年保险费(kinsurance)等因素有关。而太阳能热发电初期建设费用是构成其总投资费用Kinvest的主要部分,也是影响发电成本的重要因素。目前,太阳能热发电成本高的主要原因,还是初期建设费用远远高于其他发电形式。表2给出了太阳能热发电与其他类型电站建设成本的比较。


表2 太阳能热发电与其他类型电站建设成本对比


从表2可以看出,虽然Kfuel=0,但是无论哪种技术类型的太阳能热发电,其电站初期建设成本Kinvest都远远高于燃煤电站,甚至比光伏电站和风力电站也高出很多。由于太阳能热发电不仅受太阳照射等天气条件的限制,而且目前太阳能热发电系统效率又较低,所以其年净发电量Enet也不高。


太阳能热发电成本高是当前制约其产业发展的最大障碍,因此提高太阳能热发电的发电效率、增加年净发电量、提高电站设备的国产化率、降低电站初期投资费用是降低太阳能热发电成本的重要途径。


2.2 关键技术有待突破


2.2.1 光学技术


①高聚光比技术。CSP系统是通过聚光的方式将太阳能直射光聚集起来加热工质,因而提高聚光技术是提高发电效率、降低成本的重要因素。从表1可见,四种发电技术的聚光比都不高,提高聚光比是今后需要重点研究的内容。对于塔式太阳能热发电系统,研究并设计高效率、低成本的定日镜场具有重要意义;对于槽式热发电系统,采用尽量轻的反射材料和支撑结构是降低槽式聚光器成本和自身能耗的重要措施,因此轻型高强度高聚光比的槽式聚光反射面是又一个重点研究方向。


②高性能吸收涂层技术。对于CSP系统,实现光热能量转换的关键材料是光谱选择性吸收涂层,其光学性能的优劣直接影响到整个发电系统的发电效率和使用寿命。今后光谱选择性吸收涂层的研究方向是:高吸收率、低发射率、良好的高温化学稳定性。


2.2.2 蓄热技术


由于太阳能受时间、气候以及地理位置等因素影响,导致太阳能的不连续性和不稳定性,因此高温蓄热技术成为太阳能热发电的重要研究方向。


太阳能热发电的蓄热方式可以分为显热蓄热、潜热蓄热和化学反应热蓄热三种,其中潜热蓄热以蓄热能力大、蓄热过程中温差小等优点得到了广泛应用。由于材料在固态及液态气化过程中会产生较大的体积变化,因此实际应用中多采用固液相变蓄热,而选择恰当熔点的相变材料(PCM)是关键,目前大都采取熔融盐储热蓄热。在槽式太阳能热发电技术中,应用较为普遍的是采用二元熔融盐作为蓄热介质的双罐式储热系统,通常其组分约为60%的NaNO3和40%的KNO3


高温蓄热是太阳能热发电优于其他可再生能源发电的关键技术,太阳能热发电技术的发展和推广应用,迫切需要高性能、高可靠性的高温传热蓄热工质。目前各种蓄热技术都还在研究发展阶段。


2.2.3 安全性问题


CSP系统中聚光集热子系统的核心设备是吸热器,吸热器吸收太阳能的辐射热流分布不均匀,从而造成吸热器表面温度分布的不均匀,这严重影响CSP的安全运行,比如会导致吸热器结构的热应力变形等。我国以何雅玲院士为首的科研团队对此进行了深入研究,并对CSP发电系统的安全性提出最新解决方案:优化传热流体侧换热,改善吸热材料的性质,优化聚光系统的结构。


2.3 对策


太阳能热发电产业的主要问题是发电成本高和技术不成熟、不完善,尚未形成完整的技术和装备制造体系。我国采取的对策是通过太阳能热发电示范项目建设来解决这个问题,即通过示范项目建设来带动产业发展、技术进步,从而降低发电成本。


2015年,国家能源局下发《关于组织太阳能热发电示范项目建设的通知》(国能新能[2015]355号),通知明确要求,为减少重复建设和浪费,同一项目业主在一个区域的项目超过1个时,应为不同的技术路线;一个企业可以在不同的区域申报项目,但总数量不超过3个,同一技术路线和技术来源的不超过2个。


2016年,国家能源局确定首批20个太阳能热发电示范项目(见表3),同时要求各示范项目原则上在2018年底前建成投产。


表3 首批太阳能热发电示范项目分类比较


由表3可以看出,为了克服太阳能的不连续性问题,首批示范项目均采用蓄热方式;在发电方式方面,仅仅采用技术上相对较成熟的塔式、槽式、线性菲涅尔式三种;技术路线也丰富多样,既有熔盐塔式、导热油式,也有水工质线性菲涅尔式等;分布地点仅局限于青海、甘肃、河北、内蒙古、新疆5个地区,示范效能明显。通过这些示范项目建设,对不同技术路线进行全面的比较,用以确定国内太阳能热发电领域主要支持的技术方向,促进太阳能热发电行业的良性发展。


展望


3.1 发展机遇


国家出台标杆上网电价。2016年8月,国家发展改革委出台太阳能热发电标杆上网电价政策(发改价格[2016]1881号),规定太阳能热发电的标杆电价为1.15元/(kW·h)。期望太阳能热发电产业改进技术,不断降低发电成本。


战略性新产品出台。2017年1月,国家发改委公布的《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》中包含了高强度曲面反射镜、槽式聚光器生产线、太阳能热发电系统技术服务等多项太阳能热发电产品和技术服务。


参与国际行业标准制定。2015年12月,中国参与国际电工委员会太阳能热发电站技术委员会(IEC/TC117)五项太阳能热发电国际标准的制定,这对于增强我国在太阳能光热行业的国际话语权具有重要意义。无论是出台太阳能热发电标杆电价和战略性新产品目录,还是参与国际行业标准的制定,都为我国太阳能热发电提供了重大发展机遇。



3.2 研究方向


低成本、大容量、连续发电,是聚光型太阳能热发电在未来的研究和发展方向。目前我国聚光型太阳能热发电产业还处于示范推广的初级阶段,今后要在提高聚光比、提高运行温度和热电转换效率方面攻克难关,实现突破;要在高反射率反射镜、高精度跟踪控制系统、高传热、太阳能热电转换等核心技术和关键设备上加大研发力度;建设大型聚光热发电项目示范工程,带动产业发展;提高设备的国产化率,降低发电成本;蓄热技术的研究和攻关将是光热发电产业化运行的重点研究范畴。


3.3 建议


基于多能互补的联合循环发电技术的研究。目前我国仍有约70%的电力来自燃煤发电,加强太阳能与燃煤耦合发电的研究具有重要的现实意义;还要建立太阳能与燃气、生物质等联合循环系统,在达到供需配比的基础上优化系统能源的合理分配。


加强太阳能热发电对电力系统作用的研究。结合我国电网的具体特点,如果太阳能热发电能够在发电技术、规模、安全性、稳定性、运行方式上更加适应电网系统运行,那么其发展前景会更加广阔。


4 结语


我国将太阳能热发电定位为战略性可再生能源。“十三五”期间国家重点推进太阳能热发电示范项目建设,通过首批太阳能热发电示范工程建设,促进技术进步和规模化发展,充分发挥太阳能热发电在电网中的调峰作用。今后的重点是加大太阳能热电转换等核心技术和关键设备的研发力度,降低发电成本。基于多能互补的联合循环发电技术的研究,煤电耦合太阳能热发电理论与实践具有重要的现实意义。


来源:中外能源

作者:杨圣春,项棵林,杨帆

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